数控X-Y工作台数控改造设计

数控 X-Y 工作台设计目录1.引言： .32.设计任务 .33.总体方案的确定 .43.1 机械传动部件的选择 .43.1.1 导轨副的选用3.1.2 丝杠螺母副的选用3.1.3 减速装置的选用3.1.4 伺服电动机的选用3.1.5 检测装置的选用3.2 控制系统的设计 .43.3 绘制总体方案图 .54.机械传动部件的计算与选型 .54.1 导轨上移动部件的重量估算 .54.2 铣削力的计算 .54.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） .64.3.1 块承受工作载荷 maxF的计算及导轨型号的选取4.3.2 距离额定寿命 L 的计算4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .74.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算4.4.2 最大动工作载荷 FQ 的计算4.4.3 初选型号4.4.4 传动效率 的计算4.4.5 刚度的验算4.4.6 压杆稳定性校核4.5 步进电动机减速箱的选用 .84.6 步进电动机的计算与选型 .84.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定4.6.4 步进电动机的性能校核5.增量式旋转编码器的选用 .126. 绘制进给传动系统示意图 .127工作台控制系统的设计 .128步进电动机的驱动电源选用 .149.致谢 .15参考文献 .151.引言：现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2.设计任务题目：数控 X-Y 工作台设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台，主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的 d=15mm；2. 立铣刀齿数 Z=3;3. 最大铣削宽度 =15mm;ea4. 最大背吃刀量 =7mm;p5. 加工材料为碳素钢活有色金属。6. X、Y 方向的脉冲当量 =0.004mm;xy7. X、Z 方向的定位精度均为 mm;01.8. 加工范围为 200150;9. 工作台空载进给最快移动速度： ;maxa30/minzV10.工作台进给最快移动速度: ;4xff3.总体方案的确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。3.1.2 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足 0.004mm 冲当量和 mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，01.滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。3.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.4 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。3.2 控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3.3 绘制总体方案图总体方案图如图所示。 微型机 接口电路 功放电路 执行元件 机 械传 动机 构 机 械执 行机 构总体方案图4.机械传动部件的计算与选型4.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 800N4.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7 查得立铣时的铣削力计算公式为：(6-11)0.8570.31.cezp1afdanZF今选择铣刀的直径为 d=15mm，齿数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为 ，背吃刀量 =7mm ，每齿进给量 ，铣刀转速emp zf0.1m。则由式（6-11）求的最大铣削力：n30r/i=0.85.70.731.0.13c11N28F采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： , ，fcF1.408NecF.3486N。图 3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力fncF0.253N，受到水平方向的铣削力分别为 和 。今将水平方向较大的铣削力分配ze486ffn给工作台的纵向，则纵向铣削力 ，径向铣削力为 。xf yfnF3204.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）4.3.1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：(6-12)maxGF4其中，移动部件重量800N，外加载荷 ，代入式（6-12） ，得最大工zF=486N作载荷 =686N=0.686kN。maxF查表根据工作载荷 =0.686kN，初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSA-LG15maxF型，其额定动载荷 ，额定静载荷 。C7.94kN0aC9.5k任务书规定加工范围为 200150，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为 520mm。4.3.2 距离额定寿命 L 的计算上述所取的 KL 系列 JSA-LG25 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 C，10每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数f =1.0，温度系数 f =1.00，接触系数 f =0.81，精度系数 f =0.9，载荷系数HTcRf =1.5，代入式（3-33） ，得距离寿命：wL= KmFCfawrcth 5620)(3mx远大于期望值 50Km，故距离额定寿命满足要求。4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N.已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数 K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.1 1408+0.005 (486+320+800)N 1557N4.4.2 最大动工作载荷 FQ 的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程 Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入 L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数 L0=72（单位为：106r） 。查表，取载荷系数 fw=1.2,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0,代入式（3-23） ，求得最大动载荷：FQ= NfLmHw73304.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 2005-3 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈*1 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N，大于 FQ，满足要求。4.4.4 传动效率 的计算将公称直径 d0=20mm,导程 Ph=5mm,代入 =arctanP h/( d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得传动效率 =96.4%。4.4.5 刚度的验算(1)X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为 a=500mm；钢的弹性模量 E=2.110 5Mpa;查表得滚珠直径 Dw=3.175mm，丝杠底径 d2=16.2mm,丝杠截面积 S=/4=206.12m 。2d2m忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉/压变形量mm=0.0180mm.。51/()170/(.1206.)mFaES(2) 根据公式 ，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈)3WZd数 列数为 3 1，代入公式 Z 圈数 列数，得滚珠总数量 =60。丝杠预紧时，取轴Z向预紧力 /3=519N。则由式（3-27） ，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量YJmFmm。20.4因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0012mm。2(3) 将以上算出的 和 代入 ，求得丝杠总变形量（对应跨度 500mm）1212总=0.0192mm=19.2总 m本例中，丝杠的有效行程为 330mm，由表知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm 时，行程偏差允许达到 25 ，可见丝杠刚度足够。4.4.6 压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷 FK。取支承系数 =1；由丝杠底径 d2=16.2mmkf求得截面惯性矩 3380.88 ；压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安42/6Id4m装） ；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 500mm。代入式（3-28） ，得临界载荷FK=1557N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.5 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量 =0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程 Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角 =0.75。根据式（3-12） ，算得减速比：=（0.75 5）/（360 0.004）=25/10()/360hiP本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF-3 型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为 1mm，齿数比为 75：30，材料为 45 调质钢，齿表面淬硬后达到 55HRC。减速箱中心距为（75+30） 1/2mm=57mm,小齿轮厚度为 20mm，双片大齿轮厚度均为 10mm。4.6 步进电动机的计算与选型4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm，总长 l=500mm，导程 Ph=5mm，材料密度=7.85 10-5kg/ ;移动部件总重力 G=800N；小齿轮齿宽 b1=20mm.，直径 d1=30mm，大2cm小齿轮齿宽 b2=20mm，直径 d2=75mm；传动比 i=25/10。如表 4-1 所示，算得各个零部件的转动惯量如下：2SLRJ2ZRJb滚珠丝杠的转动惯量 Js=0.617kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kgcm2;小齿轮的转动惯量 Jz1=0.125 kgcm2；大齿轮的转动惯量 Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为 90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 0.75，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.087 kgcm2212()/eqmZWSJJi4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-8）可知， 包括三部分;1eqT1eqT一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ；一部分是移动部件max运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机f转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知， 相0T 0对于 和 很小，可以忽略不计。则有：maxTf= + （6-13）1eqmaxfT根据式（4-9） ，考虑传动链的总效率 ，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (6-14)maxT2160eqmaJnt其中： =1562.5r/min (6-15)ax3v式中 空载最快移动速度，任务书指定为 3000mm/min；maxV步进电动机步距角，预选电动机为 0.75 ；脉冲当量，本例 =0.004mm/脉冲。设步进电机由静止加速至 所需时间 ，传动链总效率 。则由式（6-mn0.4ats0.714）求得：=maxT425.0871562.0976N由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= (6-16)fT()0.5(80).5.01822.7/zhFGPNmi式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005垂直方向的铣削力，空载时取 0zF传动链效率，取 0.7最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：= + =0.2988N m (6-17) 1eqTmaxf2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT由式（4-13）可知， 包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载2eq转矩 ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚tT f珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 ， 相对于 和 很小，可以忽略0tT不计。则有： = + （6-18）2eqtf其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 由公式（4-14）计算。有：tT1408.50.64272/fhtFPTNmi再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载 情况下，移动部件运动(56)zF时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：()0.5(4860).50.2922.7/1zhfFGPT Nmi最后由式（6-18） ，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：= + =0.643N/m （6-19）2eqtf最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 12max,0.643eqeqTTNm4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩eq时，需要考虑安全系数。取 K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：（6-20）max40.632.57jeqTNm初选步进电动机的型号为 90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩 =6N m。axjT可见，满足要求。4.6.4 步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量 /脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频maxfV0.4m率 。从 90BYG2602 电动机的运行矩频特性曲线图可以看40/(6.)167zH出在此频率下，电动机的输出转矩 5.6N m，远远大于最大工作负载转矩axfT=0.643N m，满足要求。2eqT2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率 。在此频率下，maxv max30/(6.04)125f HZ电动机的输出转矩 =1.7N m，大于快速空载起动时的负载转矩 =0.2988N m，满足要axT eqT求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度 =3000mm/min 对应的maxv电动机运行频率为 。查表知 90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 20000max1250fHZ，可见没有超出上限。zH4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 ，电动机转子的25.087eqJkgc转动惯量 ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 。由式24mJkgc 10qzfH（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：194.21/qL zemff HJ说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100 。194.2zH zH综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 90BYG2602 步进电动机，完全满足设计要求。5.增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角 ，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出 个步进脉冲。0.75 360/48考虑到增量式旋转编码器输出的 A、B 相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选 120 线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径 10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出 120 个 A/B 脉冲，信号为电压输出。6. 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图所示。伺 服 电 动 机 主 动齿 轮从 动齿 轮 滚 珠 丝 杠工 作 台进给传动系统示意图7工作台控制系统的设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制 LED 显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制 X，Z 向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与 PC 机的串行通信。X-Y 数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计 CPU 选用 ATMEL 公司的 8 位单片机AT89S52，由于 AT89S52 本身资源有限，所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了 XY 方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用 8279 来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与 PC 机的串行通信经过 MAX233，可以采用 PC 机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU 不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率